(по материалам специалистов по ветроэнергетике КБ «Южное»: д.т.н. М.И.Галась, инж. Ю.П.Дымковец, Н.А.Акаев, И.Ю.Костюков)

В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок (ВЭУ) горизонтально-осевые или так называемые пропеллерные установки составляют более 90%, а их серийным выпуском занимаются несколько тысяч предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ вызвано несколькими причинами. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье — в 1931 г., ротор Масгроува — в 1975 г.). Кроме этого, до недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ВЭУ ошибочно считалось, что для них невозможно получить отношение максимальной линейной скорости рабочих органов (лопастей) к скорости ветра больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ это отношение достигает более 5:1).

Эта предпосылка, верная только для тихоходных роторов типа ротора Савониуса, использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привела к неправильным теоретическим выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных, из-за чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался. И только в 60-х – 70-х годах сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

Играет определенную роль и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ гораздо меньше, чем горизонтально-осевых пропеллерных.
Вертикально-осевые ВЭУ стали интенсивно осваивать с начала 80-х годов, причем диапазон их мощностей непрерывно расширяется. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВЭУ с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании и Румынии в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения. Наибольших успехов добилась фирма VAWT (Великобритания). С 1986 г. на о-ве Сардиния была испытана ВЭУ этой фирмы с ротором диаметром 14 м и мощностью 40 кВт. В том же году была введена в промышленную эксплуатацию ВЭУ VAWT-450 с ротором диаметром 25 м мощностью 130 кВт. Сейчас фирма работает над созданием установки VAWT-850 мощностью 500 кВт. Фирма приступила к разработке более крупной установки VAWT -2400 с ротором диаметром 67 м мощностью 1.7 МВт.

В России разработкой вертикально-осевых ВЭУ с прямыми лопастями занимаются КБ “Радуга”, ООО «ГРЦ-Вертикаль», Объединение «Гидропроект», ЦАГИ, ВНИИ электроэнергетики, ООО “Электросфера” и многие другие. Созданы опытные установки ВЛ-2М, ВДД-16 и др., которые при испытаниях показывают неплохие результаты.

Почему для разработки все больше выбирают вертикально-осевые ВЭУ с прямыми лопастями?
Встречающиеся в литературе сопоставления ВЭУ вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем обычно ограничиваются упоминанием о предпочтительности вертикально-осевых ВЭУ в связи с их основной особенностью — нечувствительностью к направлению ветра и, следовательно, возможностью значительного упрощения конструкции установки. Более того, прогнозируется наибольшее применение вертикально-осевых ВЭУ в развивающихся странах, не владеющих современными технологиями. В обоснование такого прогноза выдвигается именно конструктивная простота вертикально-осевых установок, не требующих поворотных устройств и систем.

Однако опыт проектирования и эксплуатации ветрогенераторов (ветроэлектрических или ветроэнергетических установок) показывает, что отсутствие поворотных устройств и систем — не единственный оценочный параметр для сравнения их с горизонтально-осевыми пропеллерными. Вертикально-осевые и горизонтально-осевые ВЭУ — принципиально разные решения, многие характеристики этих установок не повторяются.

Поэтому кроме независимости работы вертикально-осевых ВЭУ от направления ветра, как явно положительной характеристики, обусловливающей многие другие достоинства, существует целый ряд других их принципиальных особенностей и конструктивных решений, которые можно рассматривать как не менее важные.

Ниже приведены некоторые сопоставительные оценки вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем, проведенные с разных точек зрения. Сравнениям будет подвергаться пропеллерная установка в традиционном исполнении и вертикально-осевая типа Дарье с прямыми лопастями.

ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЭУ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА

Наибольшая эффективность горизонтальных пропеллерных ВЭУ достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем ориентации на ветер для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении. Наличие в конструкции ВЭУ системы ориентации на ветер само по себе усложняет ветроагрегат и снижает его надежность (по данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ этого типа до 13% общего количества отказов приходится на системы ориентации).

Кроме того, практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для ветроустановок средней и большой мощности с диаметром ветроколеса более 30-40 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по длине размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса а оптимальное направление ориентации. Из-за этого снижаются выработка электроэнергии (вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока) и экономическая эффективность ветроустановки.

К конструктивным недостаткам можно отнести то, что система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой (корпусом ветро-агрегата) и опорной башней горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, чем обусловливаются появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что в конечном счете снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки.

Эффективность же работы вертикально осевых ВЭУ принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Неравенство характеристик ветрового потока по высоте приводит лишь к некоторому выравниванию моментов поворота, снимаемых с лопастей.

КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок равен, 0.593. Это объясняется тем, что роторы ВЭУ обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти, К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0.4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0.38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4-0.45 — вполне реальная задача. Таким образом, можно отметить, что коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.

ЗАПУСК ВЭУ

Считается, что момент трогания горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ не равен 0, поэтому для их запуска не требуются внешние источники энергии. Однако на практике ветроколесо этого типа самозапускается только в том случае, если оно с той или иной точностью направлено на ветер. При боковом же ветре мощное ветроколесо может и не самозапуститься и необходим внешний источник энергии для разворота гондолы с ветроколесом на ветер.

Долгое время считалось, что момент трогания вертикально-осевых ВЭУ равен 0, т. е. считалось, что они не самозапускаются.
Однако ученые ГРЦ-Вертикаль разработали ветро-ротор H-Дарье, который самозапускается при скорости ветра 3.5-4 м/с в зависимости от мощности (массы) ветро-турбины. Момент трогания этих ветроустановок гораздо больше 0, а для самораскрутки достаточно лишь небольшого порыва ветра.

Тем не менее, крупные ветроэнергетические установки обычно оснащают дополнительными турбинами типа Савониуса для гарантированного старта.
Усложнение конструкции ВЭУ приводит к снижению надежности, а введение дополнительных аэродинамических устройств — к снижению мощности ветровой турбины, что хуже, чем наличие источника мощности для запуска. Это учитывается на современном этапе и при проектировании новых конструкций горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Так, разработчики установки серии МОД мощностью 4.4 МВт отказались от одного из важнейших преимуществ этого типа ВЭУ — возможности самозапуска, выполнив лопасти ротора с фиксированным шагом, рассчитанным на наиболее эффективную работу в номинальном диапазоне скоростей ветра. Для запуска был использован прием, заимствованный у вертикально-осевых ВЭУ, — кратковременное переключение генератора на двигательный режим и разгон ротора.

РАЦИОНАЛЬНОСТЬ СИЛОВОЙ СХЕМЫ ВЕТРОТУРБИНЫ

Инерционные нагрузки на лопасть горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ направлены вдоль лопасти, т. е. наиболее выгодным образом. Ступица колеса и элементы опорно-подшипникового узла компактны и малогабаритны. Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой ВЭУ направлены поперек лопасти вдоль траверсы. Ступица и опорно-подшипниковый узел имеют большие габариты. Таким образом, ветротурбина (ветро-ротор) вертикально-осевой ВЭУ в меньшей степени удовлетворяет требованию рациональности силовой схемы, чем ветротурбина горизонтально-осевой пропеллерной. Как результат этого ветотурбина с вертикально-осевой ВЭУ оказывается тяжелее горизонтально-осевой пропеллерной.

Между тем при переходе к ВЭУ мегаваттных мощностей необходимо учитывать значительно меняющийся характер нагружения. Во-первых, аэродинамические нагрузки на лопасть горизонтально-осевой ВЭУ в верхнем в нижнем положении неодинаковы из-за разницы скоростей ветра по длине размаха лопастей. Лопасть работает в разных быстроходностях и передает ступице пульсирующий крутящий момент. Во-вторых, возрастает значение сил гравитации. Пульсирующие аэродинамические и гравитационные нагрузки существенно снижают виброживучесть лопасти, ступицы и опорно-трансмиссионной системы. Возрастают также силы Кориолиса при поворотах турбины на ветер.

КОНСТРУКЦИЯ ЛОПАСТИ

Все сечения лопасти горизонтальной пропеллерной ВЭУ находятся в разных энергетических состояниях из-за различия в них окружных скоростей и углов атаки. Это различие значительно снижается благодаря скрутке сечений лопасти одно относительно другого. Особенности инерционного нагружения лопасти приводят к необходимости сужения профиля к концу лопасти. Таким образом, пропеллерная лопасть конструктивно представляется значительно более сложной, чем прямоугольная, симметричная относительно хордовой плоскости лопасть вертикально-осевой ВЭУ. С другой стороны, сборка стеклопластиковой лопасти вертикально-осевой ВЭУ из отдельных секций представляет значительную трудность ввиду необходимости организации фланцевых стыков.

ПОВОРОТ ЛОПАСТЕЙ

Поворот лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не только как средство торможении ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе оборотов во избежание выхода его в разнос.

Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, так как при этом нужны и система непрерывного слежения за числом оборотов, и поворотные устройства с приводами для каждой лопасти, и система автоматического управления углами поворота лопастей. С точки зрения предотвращения опасности выхода на аварийный режим вращения ветроколеса поворотные системы и устройства для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ совершенно необходимы.

Поворот лопастей вертикально-осевой турбины был бы весьма эффективен не только для торможения, но и для поддержания оптимального угла атаки при всех положениях лопасти на окружности вращения. Установки с таким принципом работы в настоящее время применения не находит по следующим соображениям: массивная лопасть за время одного оборота вокруг оси вращения должна сделать несколько качаний, сориентированных на направление ветра. Не говоря уже о сложности создания самих систем и устройств для таких поворотов, установка становится зависящей от направления ветра, а ее конструкция будет значительно усложнена. Однако главным соображением по этому поводу остается тот факт, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевой ВЭУ находится на уровне эффективности горизонтально-осевой пропеллерной.

ОМЕТАЕМАЯ ПОВЕРХНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ, СНИМАЕМАЯ С ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ ЛОПАСТИ

Ометаемая поверхность горизонтальных пропеллерных определяется площадью круга, образуемого вращающимися концами лопастей. Для вертикально-осевой ВЭУ эта поверхность определяется как площадь прямоугольника со сторонами, равными длине лопасти и диаметру ветротурбины (ветро-ротора). Таким образом ометаемая поверхность вертикально-осевой ВЭУ образуется более выгодным образом, так как прямоугольная поверхность может изменяться не только за счет изменения длины лопастей, но и за счет диаметра их вращения, что расширяет тактические возможности варьирования параметрами ветротурбины при ее проектировании и отработке.

Энергия, снимаемая с единицы длины лопасти горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, несмотря на кручение лопасти сильно изменяется от комля к концу лопасти, главным образом вследствие увеличения быстроходности (от 0 в районе комля лопасти до максимального значения на конце лопасти).

Если говорить о вертикально-осевой ВЭУ, то значение снимаемой энергии незначительно изменяется по длине лопасти, причем это изменение зависит только от изменения качества энергии ветрового потока: наличия порывов ветра, непостоянства скорости ветра по высоте. Однако здесь есть другие причины потерь снимаемой энергии — неоптимальные углы атаки, в разных положениях лопасти на окружности вращения, падение моментов вращения ветротурбины в положениях, когда лопасть движется вдоль потока, и снижение моментов вращения от лопасти, проходящей аэродинамическую тень башни. Таким образом, надо ожидать, что эффективность съема энергии ветра лопастями установок обоих типов будет примерно одинаковая.

Необходимо отметить, что у малых (до 5 кВт) ветроустановок ГРЦ-Вертикаль угол атаки выставляется оптимальным образом, в зависимости от ветровой обстановки региона, в котором будет работать ВЭУ.
В крупных установках угол атаки может регулироваться в зависимости от режима работы. При трогании угол атаки должен быть больше, а по мере увеличения угловой скорости уменьшаться. Такая система серьезно повышает эффективность, хотя и ведет к соответствующему удорожанию.

СТЕПЕНЬ БЫСТРОХОДНОСТИ

Среди горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ наибольшее распространение получили быстроходные (до 5-7 модулей) установки с числом лопастей менее четырех. Они обеспечивают наивысший коэффициент использования энергии ветра, т. е. наиболее эффективны. Высокая степень быстроходности предполагает использование значительно усложняющих конструкцию ВЭУ специальных устройств и систем для ограничения угловой скорости вращения в определенных жестких пределах и предотвращения разноса ветроколеса и трансмиссии. Постоянство довольно высокой рабочей скорости вращения обусловливает упрощение трансмиссионных связей ветроколеса с генератором и достаточно высокое качество электроэнергии без усложнения преобразующих электрических схем.

В то же время постоянство рабочей скорости вращения, ограниченной прочностью лопастей на инерционную нагрузку, означает ограничение рабочих скоростей ветра (обычно в пределах 12—15 м/с) и работу ветроустановки в оптимальном режиме только при определенном ветре, что, естественно, несколько снижает эффективность установки.

Для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ с турбинами больших диаметров возрастает влияние некомпланарности скорости ветра по высоте и воздействия гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки в материале лопасти, в опорных устройствах трансмиссий и в самих трансмиссиях. Эти влияния и воздействия тем ощутимее, чем выше быстроходность, предопределяющая повышенное внимание к динамической устойчивости работы всех вращающихся элементов, повышенные требования к прочности конструкции и точности ее изготовления, к качеству сборки, смазке и балансировке вращающихся деталей и узлов.

С этой точки зрения трудно переоценить вертикально-осевую схему, принципиально обеспечивающую ВЭУ тихоходную работу. Во всех известных экспериментах, в том числе и в тех, которые были направлены на поиск средств достижения максимально возможного коэффициента использования энергии ветра, быстроходность не превышала 2.5-2.8 модулей. Значение этого обстоятельства станет особенно понятным, если учесть, что все энергетические характеристики (в том числе и коэффициент использования энергии ветра) вертикально-осевых ВЭУ остаются на уровне этих характеристик горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Снижение быстроходности (в 2-3 раза) — это резкое улучшение условий эксплуатации механизмов благодаря снижению уровня динамичности, упрощения требований к опорно-трансмиссионным элементам, исключение необходимости в механизмах и системах, обеспечивающих постоянство скорости вращения. Снижение быстроходности позволяет работать с оптимальным коэффициентом использования энергии ветра при всех значениях скорости ветра, входящих в рабочий диапазон, т.е. повысить эффективность ВЭУ при довольно простой конструктивной схеме лопасти. Рабочий диапазон скоростей ветра на тихоходных ветроустановках расширяется до 20—25 м/с. Однако при всем этом необходимо иметь в ввиду, что при тихоходности повышаются крутящие моменты, что приводит к увеличению материалоемкости лопастей ветротурбины в целом за счет длинных траверс, габаритной ступицы и массивных трансмиссий. Необходимо также учитывать, что переменность частоты вращения ветротурбины предполагает введение в электрическую схему преобразователей в целях повышения качества вырабатываемой электроэнергии и согласования ее качества с качеством сетевой энергии.

Принципиально вертикально-осевая ВЭУ с прямыми лопастями может быть быстроходной, ограничением является прочность лопастей па поперечные инерционные нагрузки и вибронагрузки. Тенденция разработки все более и более прочных, легких и дешевых композиционных материалов открывает перспективы создания быстроходных прямолопастных ветродвигателей типа Дарье.

РАЗМЕЩЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА И МУЛЬТИПЛИКАТОРА

Бесспорно большим преимуществом вертикально-осевых ВЭУ является возможность размещения генератора и мультипликатора на фундаменте установки, исключения угловой передачи крутящего момента. Это позволяет отказаться от мощной, вероятнее всего многопоточной угловой передачи крутящего момента, упростив требования к монтажепригодности оборудования (исключить ограничения по габариту и массе) и к условиям эксплуатации (отсутствие толчков и вибраций). При размещении оборудования на фундаменте резко улучшаются условия его монтажа и эксплуатации, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии.

В горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ избегают вводить угловую передачу и размещают оборудование во вращающейся гондоле. При этом неизбежны сложности в связи с повышением требований к монтажепригодности оборудования, условиям его эксплуатация, а также при организации подъема оборудования и его эксплуатации в верхнем положении. Немало трудностей вызывает и передача электроэнергия от вращающегося вместе с гондолой генератора. Для того, чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, вводить коллекторную передачу либо отсоединять и раскручивать шину. Во всех этих случаях в конструкцию ветроустановки вводятся дополнительные устройства, усложняющие ее.

Необходимо отметить, что передача крутящего момента на уровень фундамента связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако обусловленное этим усложнение конструкции вполне компенсируется преимуществами нижнего размещения оборудования, даже в том случае, если вал будет послередукторным, т. е. быстроходным. При доредукторном (тихоходном) исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений не вносит.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль редуктор (мультипликатор) отсутствует, что дает выигрыш в эффективности (при его наличии уменьшается КПД). Генератор и часть силовой электроники расположены непосредственно в корпусе ступицы, что, с одной стороны, усложняет обслуживание, а с другой стороны улучшает эффективность.

НАДЕЖНОСТЬ

В горизонтальных пропеллерных ВЭУ удачно используются достижения авиационной техники, в частности в области проектирования лопастей, систем управления углами их установки, трансмиссий. Следовательно, есть все основания полагать, что эти установки достаточно отработаны и их надежности могут быть даны далеко не низкие оценки. Тем не менее, очевидно, что после отработки вертикально-осевые ВЭУ, особенно агрегаты большой мощности, обещают более высокую надежность. Основанием для такого суждения являются значительное упрощение их конструкции, снижение уровня требований к изготовлению трансмиссий, упрощение условий монтажа и эксплуатации и т. д., что обусловлено следующими особенностями этих установок: отсутствие механизмов и систем управления поворотом гондолы на ветер, размещение генератора и мультипликатора на фундаменте, отсутствие необходимости в устройствах и системах управления углом установки лопастей, отсутствие проблем с передачей электроэнергии от генератора.

Необходимо отметить, что высокий уровень надежности сложной конструкции предполагает высокий уровень развития технологии. Этот фактор очень важен для оценки оптимальности вариантов кооперации различных предприятий по изготовлению отдельных узлов и агрегатов установок. Если учесть сказанное, трудно предположить, что значительно более простая и надежная конструкция ветроустановки окажется более дорогостоящей, несмотря на ее несколько большую материалоемкость.

МОЩНОСТЬ

В последние годы в мировой ветроэнергетике наблюдается тенденция к увеличению единичной мощности ВЭУ, что объясняется следующими факторами. Ввиду того что с ростом мощности установки снижается стоимость электроэнергии, получаемой с 1 м2 ометаемой поверхности, уменьшаются расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание установки, сокращаются площади отчуждаемых земельных участков, растет и эффективность ВЭУ.

Однако укрупнение горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ малоэффективно. Оно имеют верхний предел мощности в З-4 МВт, так как на их лопасти помимо центробежных действуют изгибающие силы, переменные по величине и направлению, что ограничивает размеры лопастей, существенно снижает надежность горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ и сокращает сроки их эксплуатации. Поэтому переход на большие мощности предполагает качественное изменение конструкции ВЭУ. В свете этого наиболее предпочтительным решением является вертикально-осевая схема, теоретический предел мощности которой по современным представлениям на порядок выше теоретического предела мощности горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

РАСЧЕТНАЯ СКОРОСТЬ ВЕТРА

Как уже отмечалось выше, расчетная скорость ветра горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ обычно находится в пределах 12—15 м/с по условию прочности лопастей на инерционную нагрузку. Произведенные объединением Гидропроект расчеты по определению расчетных скоростей ветра на основании данных более 200 метеостанций России о ветровом потенциале выявили ряд районов (на восточном побережье Северного Ледовитого океана, Охотского моря, в Приморье, на Камчатке, Курильской гряде, в горах Казахстана, Кавказа, Крыма и др.), где экономически обоснованными являются расчетные скорости ветра 18-20 м/с и рабочий диапазон скоростей ветра высокой обеспеченности — до 30 м/с. Как показали исследования казахских специалистов, проведенные для района Джунгарских ворот (здесь при среднегодовой скорости ветра 8 м/с преобладает ветер со скоростью более 15 м/с), начальная скорость ветра слабо влияет на уровень используемой энергии. Так, при изменении начальной скорости ветра от 4.5 до 7.5 м/с выработка электроэнергии снижается менее чем на 2%. Влияние же расчетной скорости ветра на выработку электроэнергии весьма велико. Например, увеличение расчетной скорости ветра с 10.4 до 20 м/с приводит к увеличению выработки более чем в 4 раза. Это свидетельствует о том, что для районов с высоким ветровым потенциалом значения расчетной скорости ветра, принимаемые для обычных ВЭУ, оказываются недостаточными, так как при этом окажутся недоиспользованными слишком большие ветроэнергетические ресурсы.

Как было указано выше, рабочий диапазон скоростей ветра для тихоходных вертикально-осевых ВЭУ повышается до 20-25 м/с, в связи с чем в районах с высоким ветровым потенциалом без всякого сомнения вертикально-осевые ВЭУ заведомо предпочтительнее.

Ветрогенераторы (ветроустановки) ГРЦ-Вертикаль работают в диапазоне скоростей ветра 4-60 м/с, при номинальной (рабочей) скорости 10.4 м/с. По достижении номинала скорость ВЭУ стабилизируется за счет аэродинамических тормозов.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Тихоходные вертикально-осевые ВЭУ с точки зрения воздействия на окружающую среду имеют преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными: при их работе ниже все уровни аэродинамических и инфрашумов, вибрации, меньше теле- и радиопомехи, меньше радиус разброса обломков лопастей в случае их разрушения, ниже вероятность столкновения лопастей с птицами.

В частности, уровень шума ветрогенераторов ГРЦ-Вертикаль находится в пределах 40-50 Дб в непосредственной близости к ВЭУ, а на расстоянии 10 метров заглушается шумами окружающей среды. Для сравнения, шум вентилятора компьютера составляет 50 Дб. Электромагнитные колебания практически отсутствуют, в связи с чем данные ветроустановки можно размещать вблизи коммуникационных центров (в т.ч. аэропортах), где требования к чистоте эфира достаточно высоки в связи с присутствием навигационного оборудования.

Горизонтальные и вертикальные вибросмещения мачты и ступицы, возникающие при действии аэродинамических и инерционных возмущающих сил, могут также явиться последствием дисбаланса (смещения центра масс) ротора. Большинство исследований виброколебаний вертикально-осевых установок, служащих основной причиной возникновения шумов и инфразвука, было проведено в ООО “ГРЦ-Вертикаль”. В отличие от горизонтально-осевых пропеллеров малой мощности (до 10 кВт), вызывающих вертикальные вибросмещения амплитудой до 5 мм, ВЭУ “ГРЦ-Вертикаль” генерируют вибросмещение до 0.2 мм, что не оказывает существенного влияния на фундамент или сооружение, на котором расположена ВЭУ. Более того, согласно применимым ГОСТам и СНиПам такие ВЭУ можно располагать на жилых, офисных и производственных зданиях, не говоря о сложных инженерных сооружениях (мосты, фермы, и т.д.).

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАССЫ

Для приведенной ниже сравнительной оценки рассматривались характеристики трех ветроустановок: NEWECS-45 (Голландия), ВТО- 1250Б (Россия), предварительный проект установки Д. де Рензо (США), из которых ВТО- 1250Б является вертикально-осевой:

Необходимо отметить, что массовые характеристики предварительного проекта установки Д. де Рензо получены расчетным путем на основании теоретических методик, и при рабочем проектировании с учетом конкретных конструктивных и технологических требований реальные характеристики ветроустановки будут конечно выше.

Из приведенных данных видно, что рабочие органы (лопасть, траверса) ветроколеса горизонтально-осевой пропеллерной установки легче вертикально-осевой, однако втулка (ступица) у них значительно тяжелее. Система передачи момента легче у вертикально-осевой установки, даже несмотря на наличие в ряде случаев трансмиссионного вала. Массы электрической системы и опорной башни установок обоих типов примерно одного порядка.

Общая масса рассмотренных установок находится примерно на одном уровне с небольшим преимуществом вертикально-осевой ВЭУ благодаря отсутствию гондолы, механизмов и систем ориентации на ветер и поворота лопастей.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль трансмиссионный вал отсутствует, что создает дополнительное преимущество этих установок перед остальными вертикально-осевыми ВЭУ.

В сложном сочетании свойств, чаще всего двойственно характеризующих каждый из типов ВЭУ, невозможно разобраться методами их качественной оценки (тяжелее-легче, сложнее-проще, эффективно-неэффективно). Необходим количественный анализ всего комплекса характеристик ВЭУ на основе теоретических и модельно-экспериментальных исследований с получением данных об эффективности ветроустановок обоих типов в экономической и метеорологической обстановке конкретного региона.

Если сравнивать с требованиями к ветроэлектрическим установкам средней мощности (до 1 МВт), то требования к установкам мегаваттного класса более высокие, в первую очередь в части потребительских свойств (надежность, экологическая чистота, удобство обслуживания и ремонта, простота конструкции, срок эксплуатации и т.п.). Учитываются и такие важные свойства, как экономическая эффективность, стоимость строительства, затраты на эксплуатацию и т. п. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют вертикально-осевые ВЭУ, не уступающие горизонтально-осевым пропеллерным по энергетическим характеристикам, но отличающиеся свойствами, которые могут обеспечить снижение себестоимости электроэнергии в районах с повышенным ветровым потенциалом.

По оценкам экспертов установки ГРЦ-Вертикаль малой мощности также имеют преимущество перед горизонтально-осевыми ВЭУ.

Если рассуждать в самом общем плане, то необходимо подчеркнуть, что одной схемой, как и одним типоразмером ВЭУ, не удовлетворить потребности всех регионов даже одной страны. Ветроэнергетика как подотрасль энергетики станет конкурентоспособной только при условии развития различных направлений, способных создать государственный рынок ветроэнергетической техники.